Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương Trường THPT Nguyễn Đáng Lớp 12 Họ và Tên: HỆ THỐNG HÓA KIẾN THỨC VẬT LÝ 12 CƠ BẢN Chương 6 LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG  I/. Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng 1. Hiện tượng quang điện a) Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện (năm 1887) + Bố trí thí nghiệm như hình 301 (Sgk). Chiếu một chùm sáng do hồ quang phát ra vào tấm kẽm tích điện âm gắn vào cần của một tĩnh điện kế, thì góc lệch của kim tĩnh điện kế giảm đi. Thay kẽm bằng kim loại khác, hiện tượng xảy ra tương tự. + Kết quả: Ánh sáng hồ quang đã làm bật êlectron ra khỏi bề mặt tấm kẽm tích điện âm. b) Định nghĩa hiện tượng quang điện Hiện tượng ánh sáng làm bật các êlectron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (hay còn gọi là hiện tượng quang điện ngoài). c) Trong thí nghiệm trên chính bức xạ tử ngoại trong chùm tia hồ quang đã gây ra hiện tượng quang điện ở tấm kẽm. Các êlectron bị bật ra gọi là các êlectron quang điện hay quang êlectron. 2. Định luật về giới hạn quang điện Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện o λ của kim loại đó ( ) o λ ≤ λ , mới gây ra được hiện tượng quang điện. + Giá trị giới hạn quang điện o λ của một số kim loại: + Dùng thuyết sóng điện từ về ánh sáng, ta không giải thích được định luật về giới hạn quang điện. 3. Thuyết lượng tử ánh sáng a) Giả thuyết Plăng (năm 1900) Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hoặc phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng h.f ; trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hoặc được phát xạ ; còn h là một hằng số và 34 h 6,625.10 J.s − = gọi là hằng số Plăng. + Lượng năng lượng hfε = gọi là lượng tử năng lượng. b) Thuyết lượng tử ánh sáng (thuyết phôtôn) của Anh-xtanh (1905) + Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn. + Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôtôn đều giống nhau, mỗi phôtôn mang năng lượng ε = hf. + Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ 8 c 3.10= m/s dọc theo các tia sáng. + Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hoặc hấp thụ một phôtôn. c) Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng Anh-xtanh cho rằng, trong hiện tượng quang điện có sự hấp thụ hoàn toàn phôtôn chiếu tới. Mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một êlectron. Do đó, muốn cho êlectron bứt ra khỏi mặt kim loại thì Aε ≥ . Trong đó A được gọi là công thoát. Vậy, hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi c hc hf A hay h A A ≥ ≥ ⇒ λ ≤ λ . Đặt: o o hc A λ = ⇒ λ ≤ λ . o λ Chính là giới hạn quang điện của kim loại. Vật lý 12 cơ bản Trang 1 Chất ( ) o mλ µ Chất ( ) o mλ µ Chất ( ) o mλ µ Chất ( ) o mλ µ Bạc 0,26 Kẽm 0,35 Natri 0,50 Xesi 0,66 Đồng 0,30 Nhôm 0,36 Kali 0,55 Canxi 0,75 Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương 4. Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt, ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt. II/. Hiện tượng quang điện trong 1. Chất quang dẫn và hiện tượng quang điện trong a) Chất quang dẫn Một số chất bán dẫn, khi không được chiếu sáng thì chúng là chất dẫn điện kém, nhưng khi được chiếu sáng bằng ánh sáng thích hợp thì chúng là chất dẫn điện tốt. Các chất này gọi là chất quang dẫn. b) Hiện tượng quang điện trong Hiện tượng ánh sáng giải phóng các êlectron liên kết để cho chúng trở thành các êlectron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện, gọi là hiện tượng quang điện trong. c) Năng lượng kích hoạt là năng lượng cần thiết để giải phóng một êlectron liên kết thành êlectron dẫn. Năng lượng kích hoạt và giới hạn quang dẫn của một số chất: 2. Quang điện trở + Quang điện trở là một điện trở làm bằng chất quang dẫn. Nó có cấu tạo gồm một sợi dây bằng chất quang dẫn gắn trên một đế cách điện. + Điện trở của quang trở có thể thay đổi từ vài mêga ôm khi không được chiếu sáng xuống đến vài chục ôm khi được chiếu ánh sáng thích hợp. 3. Pin quang điện (pin Mặt Trời) + Pin quang là nguồn điện, biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng. + Hiệu suất của pin quang điện vào khoảng trên dưới 10%. + Cấu tạo: Pin có một tấm bán dẫn loại n, bên trên có phủ một lớp mỏng bán dẫn loại p. Trên cùng là một lớp kim loại mỏng, dưới cùng là một đế kim loại. Các kim loại này đóng vai trò các điện cực trơ. Lớp tiếp xúc p-n gọi là lớp chặn, ngăn không cho êlectron khuếch tán từ n sang p và lỗ trống từ p sang n. + Hoạt động: Khi được chiếu sáng bởi ánh sáng có bước sóng thích hợp, sẽ gây ra hiện tượng quang điện trong ở lớp bán dẫn loại p, giải phóng ra các cặp êlectron và lỗ trống. Êlectron dễ dàng đi qua lớp chặn xuống bán dẫn loại n, còn lỗ trống thì bị giữ lại trong lớp p. Kết quả lớp kim loại mỏng phía trên trở thành điện cực dương, đế kim loại là điện cực âm. Suất điện động của pin vào khoảng 0,5 V đến 0,8 V. + Pin quang điện được ứng dụng trong các máy đo ánh sáng, vệ tinh nhân tạo, máy tính bỏ túi,… Ngày nay, người ta đã chế tạo thử thành công ô tô và cả máy bay chạy bằng pin quang điện. III/. Hiện tượng quang – phát quang 1. Hiện tượng quang – phát quang a) Khái niệm về sự phát quang Hiện tượng xảy ra ở một số chất có khả năng hấp thụ ánh sáng có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng khác, gọi là hiện tượng quang - phát quang. Chất có khả năng phát quang gọi là chất phát quang. b) Huỳnh quang và lân quang + Sự phát quang của chất lỏng và khí, tắt rất nhanh sau khi tắt ánh sáng kích thích, gọi là sự huỳnh quang. + Sự phát quang của một số chất rắn có thể kéo dài một khoảng thời gian nào đó sau khi tắt ánh sáng kích thích, gọi là sự lân quang. Các chất đó gọi là chất lân quang. 2. Đặc điểm của ánh sáng huỳnh quang Ánh sáng huỳnh quang có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích: hq kt λ > λ . Vật lý 12 cơ bản Trang 2 Chất A (eV) ( ) o mλ µ Chất A (eV) ( ) o mλ µ Ge 0,66 1,88 PbTe 0,25 4,97 Si 1,12 1,11 CdS 0,72 0,90 PbS 0,30 4,14 CdTe 1,51 0,82 PbSe 0,22 5,56 1 eV = 19 1,6.10 J − Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương IV/. Mẫu nguyên tử Bo 1. Mô hình hành tinh nguyên tử + Năm 1913, nhà vật lý Bo đã đưa ra mẫu nguyên tử gọi là mẫu nguyên tử Bo. Mẫu nguyên tử Bo cũng dựa trên mẫu nguyên tử rơ-dơ-pho nhưng có thêm hai tiên đề gọi là hai tiên đề Bo. 2. Các tiên đề của Bo về cấu tạo nguyên tử a) Tiên đề về các trạng thái dừng Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định, gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trong các trạng thái dừng thì nguyên tử không bức xạ. Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, êlectron chỉ chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là các quỹ đạo dừng. + Đối với nguyên tử hiđrô, bán kính các quỹ đạo dừng tăng tỉ lệ với bình phương các số nguyên liên tiếp: Với 11 o r 5.3.10 m − = , gọi là bán kính Bo. b) Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng n E sang trạng thái dừng có năng lượng m E thấp hơn, thì nó phát ra một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu n m E E− : nm n m hf E Eε = = − Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trạng thái dừng có năng lượng m E mà hấp thụ được một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu n m E E− thì nó chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng cao n E . 3. Quang phổ phát xạ và hấp thụ của nguyên tử hiđrô Dựa vào tiên đề về các trạng thái dừng và số liệu đo được từ thực nghiệm, người ta đã xác định được năng lượng của nguyên tử hiđrô ở các trạng thái dừng khác nhau. Dựa vào tiên đề thứ hai, khi nguyên tử hiđrô chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn thì nó phát ra một phôtôn có năng lượng hoàn toàn xác định hf = E cao - E thấp . Mỗi phôtôn có tần số f ứng với một sóng ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ, tức là ứng với một vạch quang phổ có một màu nhất định. Vì thế, quang phổ phát xạ của nguyên tử hiđrô là quang phổ vạch. Ngược lại, nếu nguyên tử hiđrô đang ở một mức năng lượng thấp mà nằm trong một chùm ánh sáng trắng, thì lập tức nguyên tử đó sẽ hấp thụ ngay một phôtôn có năng lượng phù hợp để chuyển lên trạng thái có mức năng lượng cao hơn. Như vậy, một sóng ánh sáng đơn sắc đã bị hấp thụ, làm cho trên quang phổ liên tục xuất hiện một vạch tối. Do đó quang phổ hấp thụ của nguyên tử hiđrô cũng là quang phổ vạch. V/. Sơ lược về laze 1. Cấu tạo và hoạt động của laze + Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng. Tia laze có tính đơn sắc, tính định hướng, tính kết hợp rất cao và cường độ lớn. + Sự phát xạ cảm ứng: Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một phôtôn có năng lượng ε = hf, bắt gặp một phôtôn có năng lượng ε’ đúng bằng hf, bay lướt qua nó, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra phôtôn ε. Phôtôn ε có cùng năng lượng và bay cùng phương với phôtôn ε’. Ngoài ra, sóng điện từ ứng với phôtôn ε hoàn toàn cùng pha và dao động trong một mặt phẳng song song với mặt phẳng dao động của sóng điện từ ứng với phôtôn ε’. + Cấu tạo của laze: Tùy vào vật liệu phát xạ, người ta đã tạo ra laze khí, laze rắn và laze bán dẫn. Laze rubi (hồng ngọc) gồm một thanh rubi hình trụ, hai mặt được mài nhẵn vuông góc với trục của thanh. Mặt 1 mạ bạc trở thành một gương phẳng có mặt phản xạ quay vào trong. Mặt 2 là mặt bán mạ (phản xạ 50% cường độ chùm sáng) có mặt phản xạ quay vào trong (Hình 34.4 SGK). Vật lý 12 cơ bản Trang 3 Bán kính o r 4 o r 9 o r 16 o r 25 o r 36 o r Tên quỹ đạo K L M N O P Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương 2. Một vài ứng dụng của laze + Trong y học, laze dùng như một dao mỗ trong các phẩu thuật tinh vi như mắt, mạch máu,… Ngoài ra laze dùng để chữa một số bệnh ngoài da nhờ vào tác dụng nhiệt. + Trong thông tin liên lạc, laze dùng trong liên lạc vô tuyến, điều khiển các con tàu vũ trụ, truyền thông tin bằng cáp quang,… + Trong công nghiệp, laze dùng để cắt, khoan, tôi,…rất chính xác. + Trong trắc địa, laze dùng trong các công việc đo khoảng cách, tam giác đạc, ngắm đường thẳng, … + Laze còn được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, bút trỏ bảng, trong thí nghiệm về quang học,… Vật lý 12 cơ bản Trang 4 . λ . Vật lý 12 cơ bản Trang 2 Chất A (eV) ( ) o mλ µ Chất A (eV) ( ) o mλ µ Ge 0 ,66 1,88 PbTe 0,25 4,97 Si 1 ,12 1,11 CdS 0,72 0,90 PbS 0,30 4,14 CdTe 1,51 0,82 PbSe 0,22 5, 56 1 eV = 19 1 ,6. 10 J − Trường. điện của kim loại. Vật lý 12 cơ bản Trang 1 Chất ( ) o mλ µ Chất ( ) o mλ µ Chất ( ) o mλ µ Chất ( ) o mλ µ Bạc 0, 26 Kẽm 0,35 Natri 0,50 Xesi 0 ,66 Đồng 0,30 Nhôm 0, 36 Kali 0,55 Canxi 0,75 Trường. Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương Trường THPT Nguyễn Đáng Lớp 12 Họ và Tên: HỆ THỐNG HÓA KIẾN THỨC VẬT LÝ 12 CƠ BẢN Chương 6 LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG  I/. Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử